摘要：针对大型热轧机对变频同步电动机的工况要求及变频电源特点，阐述了涟钢1580 热轧大型变频同步电动机电磁方案和结构设计方面的关键技术要点。首先， 描述了对于变频电源特点，抑制了变频电源产生的高次谐波成分和频率波动对电动机性能的影响。接着，介绍了热轧大型变频同步电动机的结构特点，解决了频繁正 反转操作中电动机的机械稳定性、电磁性能和热稳定问题。最后，通过试验验证了所设计的热轧大型变频同步电动机在实际工况下的可行性和优越性。关键词：同步电动机；热轧；变频；电磁；结构

Abstract ：To address the working condition requirements of large hot rolling mills for variable-frequency synchronous motors and the characteristics of variable-frequency power supply， the main technical points of electromagnetic scheme and structural design of the large variable-frequency synchronous motor for the 1580 hot rolling mill of Lianyuan Steel are described. To suppress the effects of high harmonic components and frequency fluctuations， the characteristics of the inverter power supply are described in terms of their impact on motor performance. Then， the structural characteristics of the large variable-frequency synchronous motor for hot rolling are introduced to solve the problems of mechanical stability， electromagnetic performance， and thermal stability of the motor in frequent forward and reverse operations. The feasibility and superiority of the large variablefrequency synchronous motor designed for hot rolling under real operating conditions is ultimately confirmed through testing.

Keywords ∵ Synchronous motor， hot rolling， variable-frequency， electromagnetic， structural

1 引言

热轧大型变频同步电动机作为现代冶金工业的核心驱动设备，其性能直接关系到生产效率和产品质量，在钢铁生产的频繁正反转轧制工艺中发挥着关键作用。然而，传统同步电动机在频繁启停与正反转的高负荷工况下，往往面临着电磁损耗大、机械疲劳严重以及散热性能不足等问题，难以满足现代工业的需求[1，2]。虽然变频控制技术的引入为改善同步电动机的性能优化提供了新思路，但也带来了高次谐波干扰和复杂控制需求的技术挑战 [3-5]。鉴于以上分析，本文针对频繁正反转工况下的电磁损耗、机械可靠性和热管理问题，改进了电机的电磁方案和结构设计。本文的主要工作归纳为：

1）​机组采用多边形整体结构，轴选用三段式中空结构，底板选取整体式结构；

2）​支撑轴承为大型静压滑动轴承，冷却器采用密闭循环内风冷结构；

3）​采用大推力振动阻尼轴承，并通过试验验证所设计电机结构的可靠性

公司长期专注于大型变频调速同步电机的研发与生产，主要用于热轧、冷轧以及国防工业精轧。截止至今，已为我国冶金工业和国防工业提供了上百台大型主传动同步调速电机。

2 工况要求

热轧变频同步电动机需满足工况要求，以确保其在复杂和严苛的热轧生产环境中能够高效、可靠地运行，并能够适应负荷波动、过载情况和环境变化等因素。按照​GB/T​21663-2019​标准，热轧变频同步电动机在额定工作条件下需提供以下技术数据：视在功率或额定功率、频率、电压、功率因数以及冷却介质温度。

2.1​过载能力

电动机在短时过载工况下应具有较高的过载承受能力。通常，要求其电动机能够承受一定倍数的额定负荷，过载时间应限制在短时间内。热轧变频同步电动机的运行工况和工况参数如表1 和表2 所示。其中， 表示额定功率； f 表示频率； 表示额定电压， cos φ 表示功率因数； 表示冷却空气温度， 表示冷却水温度。

2.2​过载温升

电动机的过载温升不应超过绝缘等级的允许温升限值，以防止绝缘材料老化和电动机性能下降。热轧变频同步电动机的升温限制如表 3 所示。其中，R表示定子升温， ε 表示转子升温。

此外，电动机配备过载保护装置，能够在温升过高或负载过载时自动停止运行，以避免其损坏。

3 电机设计

3.1 电磁方案

电磁设计是热轧大型变频同步电动机设计的核心部分，直接影响电机的运行效率、稳定性和使用寿命。该设计环节的重点在于根据电机的工作特性和负载需求，合理确定电磁参数，优化定子和转子的电磁性能，以确保电机在各种工作状态下均能保持高效运转和良好的功率因数。

3.1.1​初步计算

为确定电机的主要设计参数，基于电机的额定功率 、额定电压 、额定频率 和额定转速 进行预估和初步计算。初步计算的过程主要为：

1）​根据工艺要求和变频器的输出频率，确定极对数 p ，其计算公式为

通常情况下 为整数，本文取

2）​界定定子铁心外径 D ，以确保铁心具有足够的机械强度，其计算公式为 （2）

其中， 为与设计参数相关的经验系数。

3）​合理选择气隙磁密 以及定子线圈每相串联匝数 ，以确保铁心不过度饱和且励磁电流不过大，其计算公式为

其中， 为绕组系数。 可由槽数确定，而 满足 ，本文中 。

4）​为避免出现磁饱和，同时保持合适的铁损水平，设计合适的定子铁心长度 ，以确保磁路具有足够的有效截面积，其计算公式为

其中，c 是与冷却方式和材料特性相关的设计经验系数。

5）​根据 GB/T​755-2019 标准，核算线热负荷 q ，以防止电动机由于长时间运行过度积热而导致绝缘损坏或性能衰退，其计算公式为

其中， 为绕组铜损， 和 为分别为绕组电流和绕组电阻；L和s 分别为绕组的有效长度和截面面积。

3.1.2​详细分析

考虑到结构设计、机械计算以及电机出厂时为用户提供准确电气参数的严格要求，基于初步计算结果，进一步关注大型变频调速矿井提升同步电动机在交 - 交变频电源供电条件下的电磁计算特征，并就其详细计算方法展开系统性研究。详细计算的过程主要为

1）​磁通损耗主要包括磁滞损耗和涡流损耗，因此在设计时要合理选择铁心材料，同时，铁心的叠片工艺和紧固方式也对磁路性能有较大影响，确保叠片过程中磁通路径不受到阻碍，可以提升电动机的磁路效率。提高气隙磁密，以提升电机过载能力，并抑制低谐波的不利影响。定子冲片采用高损耗、高导磁性的冷轧硅钢片，避免局部磁饱和现象，提高电动机的效率。

2）​在变频调速系统下，电动机的电流频繁波动，电动机的电气参数需要适应这些频率变化，避免过大谐波和电流突变影响电动机的工作效率。因此，增加每相绕组的匝数以及并联支路数，以满足额定功率和电流要求。通过优化电路参数，尤其是调整定子电流和电压的相位关系，提升功率因数。

3）​冷却设计需要确保其在长期负荷下不会因过热而导致绝缘损坏或性能下降，其方式的选择直接影响电动机的热管理效果。采用密闭循环冷却系统，通过机座的散热通道和定子、转子的散热结构，优化了冷却气流的分布，使冷却效率最大化。冷却空气的流量和温差需要根据电动机的功率和工作条件来计算，确保能够有效带走产生的热量，保持电动机在安全温度范围内。

3.2 结构设计

电机采用凸极卧式转子结构。电动机布置采用上辊前置、下辊后置的方式。每台电机由定子、转子、两个轴承、底座、端罩及冷却装置等零部件组成，采用电机侧部密闭循环通风冷却。传动端为轴上直接带法兰形式，非传动端轴伸与测速码盘相连。轴承采用座式球面滑动轴承，并配有高压顶升强制循环供油系统，同时具备油环结构。非传动端轴承具有液压阻尼减振功能，能够承受双向轴向推力，且在轴承座下设有止推键。传动端轴承上安装有接地电刷。每台电机配备单相交流220V 电加热器。电机的中心高为 9 0 0 m m ，定子不带主出线盒，出线通过电机下方的机坑引出。热轧大型变频同步电动机结构如图1 所示。

3.2.1​定子

定子冲片材料采用高导磁、低损耗的冷轧硅钢片 （ 型号： 50W540 ）。定子铁心由16 张扇形片组成，每片含15 个槽。铁心内部设有41 个径向通风沟，每个通风沟的宽度为 7 m m 。机座采用多边形整体结构，且机座下板和铁心压圈上均加工有压指，以确保铁心齿部被有效压紧。为增强定子的刚度，机座上配有T 型加强筋，并与铁心间断焊接。定子铁心采用内压装结构，定子冲片叠压于机座表面。叠压完成后，使用高位油压机将铁心压紧，并在压紧状态下拧紧 48根铁心螺杆，同时进行铁心背部与T 型筋563 的焊接。

定子线圈为双层迭绕组，其电磁线采用F级绝缘的云母带绕包铜扁线（型号：SBEFB-70 /155- 2N ）。绕组端部使用 T 型支撑架和玻璃钢端绑扎。

3.2.2​转子

转子绕组由带散热匝的磁极线圈串联而成，每个磁极线圈由扁铜线焊接成型。线圈匝间绝缘采用两层 0 . 1 3 m m 厚上胶 N o m e x 纸，线圈上下表面和对地绝缘则使用 N o m e x 纸固化成型。磁极线圈经过热压成型后套入磁极铁心，并通过浸胶涤纶毡和环氧玻璃布板填充端部及所有缝隙。磁极压力浸漆，绝缘等级为F 级。

转轴采用三段式中空轴结构，两侧轴为35CrMoA 锻件，中间轴为35# 钢锻件，三部分通过两端的高强度螺栓紧固成一个整体，并通过圆柱销承受冲击扭矩。以往本公司通常是采购 SKF 的超级螺栓销，其结构类似膨胀螺钉，内层为开有油槽的圆锥 （ 锥度 1：50 左右 ），外侧为带锥度的薄壁圆筒，通过端部注入约150MPa 高压油使外壁膨胀，从而将其拧入涨紧。然而，由于进口件供应困难且为降低成本，本次考虑采用冷装整体式圆柱销代替。传动端为带法兰盘式轴伸，其连接尺寸按总包方要求设计。非传动端预留接口，用于安装编码器。

磁极冲片采用 1 . 5 m m 厚的优质冷轧钢板Q235- A ，经过一次冲压成型。叠压系数不低于0.98，磁极冲片与中间芯棒采用过渡配合，以确保良好的装配精度。加强芯棒的直线度和公差要求，以提高装配质量。磁极冲片叠压完成后，通过高位油压机压紧并拧紧磁极螺杆，同时将磁极压板与芯棒焊接固定。芯棒上开有螺孔，使用高强度螺栓将磁极牢固地固定在中空轴上。

采用全阻尼形绕组，阻尼环由弧形锻铜制成，连接采用多片薄铜板。磁极之间通过元宝型极间支撑连接，支撑采用高强度螺栓固定在磁轭上。阻尼环与磁极压板之间留有适当的轴向间隙，以抵御阻尼环和阻尼条热态变形。

3.2.3​端罩及轴承

电机两端采用钢结构焊接整体式端罩，端罩内部通过槽钢加强。端罩上部设有进风口，与冷却器配合使用。端罩与机座之间的密封面采用 Ω 软胶条进行密封。

电机轴伸端采用 Φ 8 0 0 座式轴承，非轴伸端则配备 Φ 8 0 0 振动阻尼轴承。为防止轴承两端泄油，轴承座的内、外环板上应开有密封槽，并在每侧轴承端盖上镶嵌两条黄铜密封环。所有轴承的轴瓦下部均开有高压注油孔，通过高压油管路可持续向轴承内部注入高压油。

为了克服轧机正、反方向的轴向推力，电机非传动端采用了带双向止推作用的座式球面轴承。R 粗轧电机的常规推力不超过 ± 1 0 0 0 k N ，偶尔最大推力可达 ± 5 0 0 0 k N 。为提高电动机的机械动态特性，轴瓦下部开有高压注油孔，通过高压油管路持续向轴承注入高压油，且油源由油站统一供应。每个轴承上均装有 1 个电接点式温度计和 1 个双支铂热电阻（P100），以便在现场及控制室内实时监控轴承的运行温度。

4 结论

本文的电磁、机械及冷却技术，成功满足了矿井提升等高负载工况下的性能要求，针对频繁正反转工况下的电磁损耗、机械可靠性和热管理问题，改进了电机的电磁方案和结构设计，实现其高效、稳定、可靠的运行，赢得了用户肯定。未来工作中，考虑将大数据智能化技术与电机设计完美结合，进一步提升产品质量。

参考文献：

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[4]Dong C F， Qian Y P， Zhang Y J， et al. A review of thermal designs for improving power density in electrical machines[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification， 2020， 6（4）： 1386-1400.

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作者简介：王孝朋，（1990-5-），男，湖南岳阳，本科，工程师， 目前从事大型同步电机研发、设计工作。